CN113337798B - 薄膜制备方法、高通量组合材料芯片制备方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄膜材料制备领域，本发明所提供的薄膜制备方法，其可基于对靶材进行旋转并控制其旋转的速度，可使前一种靶材的待沉积材料还在岛状生长状态未形成层状薄膜时，另一种靶材继续进行沉积，即可实现不同靶材的待沉积材料以原子混合的方式进行沉积，因此无需在额外设置热处理过程即可实现多种材料的均匀混合，大大降低了薄膜制备难度，提升了薄膜制备的精准度和良率。本发明还提供一种高通量组合材料芯片制备方法及系统，其也可实现不同靶材的待沉积材料以原子混合的方式进行高通量组合沉积，使高通量组合材料芯片的制备流程简化，结合相关高通量表征技术，为材料基因数据库的构建快速提供海量的材料数据，最终推动材料按需设计和智能制造。
Description
【技术领域】
本发明涉及薄膜材料制备领域，尤其涉及薄膜制备方法、高通量组合材料芯片制备方法及其装置。
【背景技术】
随着材料技术研究的不断深入，高通量材料试验技术得到了较快发展，其本质上是在一块基底上通过微电子工艺或其他精密制备方法，进行多种成分或制备工艺的可控分布和精准微区制备，实现一个基底上最多100万个不同成分或其他工艺参数的样品单元制备，配合高通量快速扫描或并行表征技术，就可以在较短时间内实现对一个复杂体系、海量实验样品的系统制备与测试，最终量变带来质变，实现了材料研发过程的加速。
特别是近年来发展的基于多层膜扩散工艺的In-line制备技术发展迅速，基于该技术可以实现大面积薄膜的均匀沉积，在此基础上，通过连续掩膜板和可自转的基底控制成分在基底上的可控分布，即可通过不同材料的厚度实现各样品单元上成分比例的调控。但是目前已有的材料制备系统较为复杂，占有较大空间，且为实现多层膜均匀扩散，以便材料样品实现目标成分的合成，需要对其热处理过程进行特别设计，通过优化热处理温度、气氛和制备工艺等多种参数等实现，耗时费力。
【发明内容】
为克服现有基于多层膜扩散工艺的高通量薄膜样品技术中，材料样品制备需要匹配特殊热处理温度、气氛和制备工艺，耗时费力等技术问题，本发明提供一种薄膜制备方法、高通量组合材料芯片制备方法及其装置。
本发明为了解决上述技术问题，提供以下技术方案：一种薄膜制备方法，其包括以下步骤：提供目标基底，将两个及以上靶材以预设旋转速度旋转移动；在靶材与目标基底之间设置宽度可调整的狭缝，靶材的轴向延伸线与狭缝两端连接的夹角小于多个靶材之间的夹角，当靶材旋转至目标位置，该靶材上的待沉积材料经过狭缝混合后沉积至目标基底上，形成薄膜。
优选地，目标位置为靶材与目标基底对应的位置，沉积该靶材上的待沉积材料至目标基底上，形成薄膜，具体包括：控制掩膜板在靶材与目标基底之间移动；当靶材旋转至与目标基底对应时，控制掩膜板的移动速度至与预设旋转速度匹配，使该靶材上的待沉积材料经过狭缝后沉积至目标基底上，形成薄膜。
优选地，通过调整靶材的预设旋转速度以获得多层薄膜或共沉积薄膜，在目标基底上沉积形成多层薄膜的预设旋转速度小于在目标基底上沉积形成共沉积薄膜的预设旋转速度。
优选地，当多个靶材上的待沉积材料在目标基底沉积形成共沉积薄膜时，所述靶材的预设旋转速度为靶材的旋转角速度，目标基底移动通过狭缝所需时间t大于靶材旋转通过狭缝所需时间T。
本发明为了解决上述技术问题，提供又一技术方案：一种高通量组合材料芯片制备方法，其包括以下步骤：提供多个可移动的目标基底以及两个及以上可旋转靶材；靶材旋转的预设旋转速度与目标基底的移动速度呈预设比例，在靶材与目标基底之间设置宽度可调整的狭缝，靶材的轴向延伸线与狭缝两端连接的夹角小于多个靶材之间的夹角，当一靶材旋转至与其中一目标基底对应的目标位置，该靶材上的待沉积材料经过狭缝混合后沉积至该目标基底上；及控制掩膜板的移动速度，重复不同靶材的待沉积材料沉积于该目标基底上，以获得高通量组合材料芯片。
优选地，提供设于靶材与目标基底之间的狭缝，靶材上的待沉积材料通过狭缝沉积至目标基底上，当多个靶材上的待沉积材料在目标基底沉积形成共沉积薄膜时，目标基底移动通过狭缝宽度的时间t大于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T。
本发明为了解决上述技术问题，提供又一技术方案：一种高通量组合材料芯片制备系统，其包括至少一靶材单元、基底单元以及传送单元，其中，传送单元带动基底单元移动，所述靶材单元包括多个靶材，在靶材与目标基底之间设置宽度可调整的狭缝，靶材的轴向延伸线与狭缝两端连接的夹角小于多个靶材之间的夹角，靶材单元以预设旋转速度旋转并当靶材单元旋转至与基底单元对应的目标位置时，靶材上的待沉积材料经过狭缝混合后沉积至该目标基底上，以实现靶材单元向基底单元内的目标基底沉积待沉积材料。
优选地，所述高通量组合材料芯片制备系统进一步包括掩膜单元，所述掩膜单元在靶材单元与基底单元之间移动。
优选地，所述靶材单元包括靶材支架、固定在靶材支架上的靶材位以及工作外罩，靶材支架及靶材位均收容于工作外罩之内。
优选地，所述基底单元还包括宽度可调整的狭缝，由靶材单元溅射产生的待沉积材料经过狭缝混合后沉积在目标基底之上，靶材位上固定有多个靶材；当目标基底移动通过狭缝宽度的时间t大于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与靶材旋转通过狭缝宽度的时间T、靶材沉积速率正相关；当目标基底移动通过时间t小于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与目标基底移动通过时间t、靶材沉积速率正相关。
与现有技术相比，本发明提供薄膜制备方法、高通量组合材料芯片制备方法及其系统，具有如下的有益效果：
本发明所提供的薄膜制备方法，其可先将靶材旋转至预设旋转速度当靶材旋转至与目标基底对应，该靶材上的待沉积材料沉积至目标基底上，形成所需薄膜。基于对靶材进行旋转并控制其旋转的速度，可使前一种靶材的待沉积材料还在岛状生长状态为形成层膜时，另一种靶材继续进行沉积，即可实现不同靶材的待沉积材料以原子混合的方式进行沉积，因此无需在额外设置热处理即可实现薄膜样品混合，大大降低了薄膜制备难度，提升了薄膜制备的精准度和良率。
在本发明中，为了实现薄膜制备的多样化及提高其薄膜制备的可控性，可设置掩膜板在靶材与目标基底之间移动；当靶材旋转至与目标基底对应时，控制掩膜板的移动速度至与预设旋转速度匹配，使该靶材上的待沉积材料经过狭缝后沉积至目标基底上，形成薄膜。
在本发明中，还可通过控制预设旋转速度的大小，对成膜的类型进行控制，其中，在目标基底上沉积形成多层薄膜的预设旋转速度小于在目标基底上沉积形成共沉积薄膜的预设旋转速度，基于此限定可使薄膜制备可控性强且精准度更高。
在本发明中，当多个靶材上的待沉积材料在目标基底沉积形成共沉积薄膜时，所述靶材的预设旋转速度为靶材的旋转角速度，目标基底移动通过狭缝所需时间t大于靶材旋转通过狭缝所需时间T，也即在本发明中，基于不同的靶材基于所需制备的薄膜的特点，可选择合适的预设选装速度，并控制目标基底移动与靶材旋转关系，以获得最优的沉积比例，并获得所需要的成膜厚度。
本发明还提供一种高通量组合材料芯片制备方法，其包括控制靶材旋转速度，并使靶材与目标基底以预设速度比进行旋转及移动，当一靶材旋转至与其中一目标基底对应，该靶材上的待沉积材料沉积至该目标基底上；及控制掩膜板的移动速度，重复不同靶材的待沉积材料沉积于对应不同目标基底上，以获得高通量组合材料芯片。基于对靶材进行旋转并控制其旋转的速度、目标基底移动速度，可使前一种靶材的待沉积材料还在岛状生长状态为形成层膜时，另一种靶材继续进行沉积，即可实现不同靶材的待沉积材料以原子混合的方式进行高通量组合材料沉积，无需在额外设置热处理即可实现样品混合，其使高通量组合材料芯片的制备流程简化，为材料基因数据库的构建快速提供海量的材料数据，最终推动材料按需设计和智能制造。
在高通量组合材料芯片制备方法中，当多个靶材上的待沉积材料在目标基底沉积形成共沉积薄膜时，靶材旋转的预设旋转速度大于目标基底的移动速度，基于速度的调整，即可以原子混合方式实现共沉积薄膜的制备，从而可提高在各个样品单元上实现成分比例和样品成膜形态的精准控制。
本发明还提供一种高通量组合材料芯片制备系统，其包括至少一靶材单元、基底单元以及传送单元，其中，传送单元带动基底单元移动，靶材单元以预设旋转速度旋转至与基底单元匹配时，向基底单元内的目标基底沉积待沉积材料。所述高通量组合材料芯片制备系统可实现大面积均匀薄膜沉积，由于多个靶材之间为旋转环形设置，因此相比于靶材之间独立设置可以节省大量的空间。此外，由于靶材单元以预设旋转速度旋转，其可实现多种靶材材料的原子级别混合，实现高通量组合材料的沉积，因此，无需在额外设置热处理即可实现样品混合，其使高通量组合材料芯片的制备流程简化。
在所述高通量组合材料芯片制备系统设置在靶材单元与基底单元之间移动掩膜单元，可进一步提高对所述高通量组合材料沉积的控制，可提前基于成分分布规律设定掩膜单元移动速度，以便于高通量样品目标成分的精准合成。
在所述高通量组合材料芯片制备系统中，通过设置靶材架，可为靶材旋转提供支撑结构，在保证靶材旋转稳定性的前提下，还可提高靶材旋转的速度的可控性。此外，通过设置其内工作气压可调的工作外罩，可进一步提高高通量组合材料芯片样品制备的可控性。
在本发明中，所述基底单元还包括宽度可调整的狭缝，由靶材单元溅射产生的待沉积材料经过狭缝混合后沉积在目标基底之上，靶材位上固定有多个靶材；当目标基底移动通过狭缝宽度的时间t大于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与靶材旋转通过狭缝宽度的时间T、靶材沉积速率正相关；当目标基底移动通过狭缝宽度的时间t小于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与目标基底移动通过狭缝宽度的时间T、靶材沉积速率正相关。可见，通过确定靶材旋转以及目标基底移动的关系，可更精准的获得不同靶材在不同沉积速率下的与厚度的关系，基于沉积厚度的关系，又可进一步提高高通量组合材料芯片样品制备的可控性及其精准度，以实现连续的梯度组合材料制备。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例提供的薄膜制备方法的步骤流程示意图。
图2A是两个及以上靶材相对于基准面为垂直旋转的结构示意图。
图2B是靶材旋转通过狭缝以及基底移动通过狭缝的结构示意图之一。
图2C是靶材旋转通过狭缝以及基底移动通过狭缝的结构示意图之二。
图3是两个及以上靶材相对于基准面为水平旋转的结构示意图。
图4是三个靶材为单向旋转的结构示意图。
图5是图1中所示薄膜制备方法中步骤S2的具体步骤流程示意图。
图6A是当预设旋转速度为第一旋转速度时在目标基底上形成层膜的示意图之一。
图6B是当预设旋转速度为第一旋转速度时在目标基底上形成层膜的示意图之二。
图6C是当预设旋转速度为第一旋转速度时在目标基底上形成层膜的示意图之三。
图7是当预设旋转速度为第一旋转速度时在目标基底上形成共沉积薄膜的示意图。
图8是本发明的第二实施例提供一种高通量组合材料芯片制备方法的步骤流程示意图。
图9是本发明的第三实施例提供一种物理气相沉积镀膜系统的结构示意图。
图10是本发明的第三实施例提供一种物理气相沉积镀膜系统另一实施方式的结构示意图。
图11是本发明的第四实施例提供一种高通量组合材料芯片制备系统的结构示意图。
图12是本发明的第四实施例提供一种高通量组合材料芯片制备系统一变形例的结构示意图。
图13是本发明的第四实施例提供一种高通量组合材料芯片制备系统另一变形例的结构示意图。
附图标识说明：
11、11’、11”、靶材；12、目标基底；13、狭缝；14、掩膜板；141、掩膜孔；S、基准面；
30、物理气相沉积镀膜系统；31、靶材单元；310、靶材；311、靶材位；312、靶材支架；313、工作外罩；32、基底单元；321、目标基底；322、狭缝；323、移动件；33、掩膜单元；331、掩膜；
40、高通量组合材料芯片制备系统；41、靶材单元；411、靶材位；42、基底单元；43、传送单元；431、传送带机构；432、驱动机构；44、掩膜单元；441、掩膜板。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书中提到的“一个实施例”、“优选实施例”、“实施例”或“多个实施例”是指结合实施例所描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中并可以在超过一个实施例中。在本说明书中的各位置出现短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在多个实施例中”不一定都是指同一个实施例或相同多个实施例。
在说明书中各处使用特定术语用于例示，不应理解为限制性的。服务、功能或资源不限于单一服务、功能或资源；使用这些术语可以指分组的相关服务、功能或资源，它们可以是分布式或聚集式的。
请参阅图1，本发明的第一实施例提供一种薄膜制备方法，用于以原子级别混合方式在目标基底上沉积两种以上待沉积材料，其具体包括如下步骤：
步骤S1，提供目标基底，将两个及以上靶材以预设旋转速度旋转移动；及
步骤S2，当靶材旋转至目标位置，沉积该靶材上的待沉积材料至目标基底上，形成薄膜。
在上述步骤S1中，调整靶材的预设旋转速度以获得多层薄膜或共沉积薄膜，在目标基底上沉积形成多层薄膜的预设旋转速度小于在目标基底上沉积形成共沉积薄膜的预设旋转速度。具体地，可基于沉积该靶材上的待沉积材料的厚度与该靶材材料临界厚度的大小比较，以判断沉积形成多层薄膜或共沉积薄膜，这里所指的临界厚度可理解为该靶材材料以岛状生长或层状生长的临界厚度。当靶材上沉积材料的厚度小于临界厚度，则靶材材料以岛状生长，形成共沉积薄膜；当靶材上沉积材料的厚度大于临界厚度，则靶材材料以层状生长，形成多层薄膜。
具体地，结合图2A中所示，在所述靶材11与所述目标基底12之间可设置宽度可调整的狭缝13，由靶材11溅射产生的待沉积材料经过狭缝13混合后沉积在目标基底12之上。进一步地，结合图2A中所示，所述两个及以上靶材11旋转可理解为以目标基底12的待沉积表面为基准面S，对应的两个及以上的靶材11可为垂直于基准面S垂直旋转。
所述靶材11转动通过狭缝13以及目标基底12移动通过狭缝13的过程可如图2B及图2C中所示。具体地，定义所述靶材11的轴向延伸线与所述狭缝13一端的连线为D1，定义所述靶材的轴向延伸线与所述狭缝13相对另一端的连线为D2，连线D1与连线D2之间的夹角θ，也即，所述靶材11的轴向延伸线与所述狭缝13两端连接的夹角θ的大小小于多个靶材11之间的夹角，该夹角θ的范围是0°-160°。
如采用靶材11的旋转角速度Q表示为靶材1的预设旋转速度，则靶材旋转通过狭缝所需时间T可表示为：
T＝θ/Q；
在本发明中，目标基底12以速度v移动通过狭缝13宽度所需时间t可进一步表示为:
t＝d/v；
当多个靶材11上的待沉积材料在目标基底12沉积形成共沉积薄膜时，目标基底12移动通过狭缝13所需时间t大于靶材旋转通过狭缝所需时间T。
如图3中所示，对应的两个及以上的靶材11可为相对于基准面S水平旋转。可以理解，基于不同待沉积材料的沉积条件，所述两个及以上靶材11的沉积也可以目标基底12的待沉积表面为基准面S呈其他角度方式旋转。
进一步地，如图4中所示，对应的旋转可为单向旋转或者双向旋转。如图中所示，包含三个靶材11，三个靶材11之间成120°分布。对应的靶材11可依次表示为A、B、C，如为单向旋转，则对应靶材11的待沉积材料在目标基底12上的沉积顺序为A-B-C-A-B-C。如为双向旋转，则对应靶材11的待沉积材料在目标基底12上的沉积顺序可为A-B-C-C-B-A或C-A-B-B-A-C等。
可以理解，所述靶材11的数量还可为两个、四个、五个、六个、十个等，具体可基于需要制备薄膜的需求做对应调整。
在上述步骤S2中当目标位置为靶材与目标基底对应的位置，沉积该靶材上的待沉积材料至目标基底上，形成薄膜，如图5中所示，具体可包括如下步骤：
步骤S21，控制掩膜板在靶材与目标基底之间移动；及
步骤S22，当靶材旋转至与目标基底对应时，控制掩膜板的移动速度至与预设旋转速度匹配，使该靶材上的待沉积材料经过狭缝后沉积至目标基底上，形成薄膜。
可以理解，在上述步骤S22中，所述狭缝的间隙可调整，其可以基于间隙宽度可调的狭缝从而增强沉积的均匀性。
在本实施例中，可通过对预设旋转速度进行调整，从而可进一步调整靶材上的待沉积材料沉积至目标基底形成薄膜的类型。例如，可将形成多层薄膜的预设旋转速度设定为第一旋转速度，将形成共沉积薄膜的旋转速度设定为第二旋转速度，其中，形成多层薄膜的预设旋转速度小于形成共沉积薄膜的预设旋转速度。
具体地，当预设旋转速度为第一旋转速度时，对应在目标基底上沉积形成薄膜的过程如图6A-图6B中所示：在图6A中，当靶材A旋转至与目标基底12对应时，则靶材A上的待沉积材料经过狭缝13、掩膜板14后沉积在目标基底12上形成第一层膜；当靶材B旋转至与目标基底12对应时，则靶材B上的待沉积材料经过狭缝13、掩膜板14后沉积在目标基底12上形成第二层膜；当靶材C旋转至与目标基底12对应时，则靶材C上的待沉积材料经过狭缝13、掩膜板14后沉积在目标基底12上形成第三层膜。此外，通过控制掩膜板14移动速度、目标基底12移动速度，还可进一步对形成的多层膜的大小、层厚等进行控制，从而满足多种不同的多层膜的制备。
具体地，当预设旋转速度为第二旋转速度时，此时为了使薄膜更好的沉积，则可在掩膜板14上形成掩膜孔141，多个靶材11上的待沉积材料通过掩膜孔141沉积到目标基底12上。对应在目标基底12上沉积形成薄膜的过程如图7中所示：当靶材A旋转至与目标基底12对应，靶材A上的待沉积材料经过狭缝13、掩膜孔141以点沉积的方式沉积在目标基底12上，由于第二旋转速度与沉积速度相关联，因此靶材A沉积几纳米厚的薄膜后，靶材B旋转至与目标基底12对应，进行靶材B的沉积，依次类推，则每种靶材11的待沉积材料还在岛状生长状态还未形成膜时，就实现了多种材料相互混合，从而可实现原子均匀混合效果，并获得共沉积薄膜。
在本实施例的一些具体实施方式中，基于原子混合方式进行共沉积获得薄膜的厚度与靶材的预设旋转速度以及目标基底的移动速度关联。具体地：
当目标基底移动通过狭缝13宽度的时间t小于靶材11旋转通过狭缝13宽度的时间T，则靶材11所沉积样品的厚度与目标基底12移动通过狭缝13宽度的时间t、靶材11沉积速率正相关。
具体地，沉积获得的薄膜样品厚度w1为：
w1＝(θ/Q)*ρ；其中，θ表示为靶材11旋转的轴向延长线通过狭缝13的夹角，Q表示为靶材11旋转通过狭缝13的旋转速度、ρ表示为不同靶材11的沉积速率。
当目标基底12移动通过狭缝13宽度的时间t大于靶材11旋转通过狭缝13宽度的时间T，则靶材11所沉积样品的厚度与靶材11旋转通过狭缝13宽度的时间T、靶材11沉积速率正相关；
具体地，沉积获得的薄膜样品的厚度w2为：
w2＝(d/v)*ρ；其中，d表示为狭缝13的宽度，v表示为目标基底12移动通过狭缝13的速度、ρ表示为不同靶材11的沉积速率。
比较沉积获得的薄膜样品厚度w1、薄膜样品厚度w2与靶材对应临界厚度的关系，若薄膜样品厚度w1、薄膜样品厚度w2小于靶材材料的临界厚度，则此时沉积获得的薄膜样品为岛状生长状态；若薄膜样品厚度w1、薄膜样品厚度w2大于靶材材料的临界厚度，则此时沉积获得的薄膜样品为层状生长状态。
不同靶材11材料的临界厚度均不相同，一般而言，常见的靶材材料的临界厚度范围为0.5nm-20nm。
本实施例中所提供的薄膜制备方法可应用于高通量组合材料芯片制备中，从而可实现大面积均匀薄膜沉积，并实现多种靶材精准沉积的同时，造避免成很大的空间浪费。
请参阅图8，本发明的第二实施例提供一种高通量组合材料芯片制备方法P20，其可结合上述第一实施例中所述薄膜制备方法，通过控制两个及以上靶材的旋转速度，从而以共沉积薄膜和/或多层膜沉积的工艺路线，实现高通量组合材料芯片的制备。
具体地，所述高通量材料芯片制备方法P20包括如下步骤：
步骤P1，提供多个可移动的目标基底，以及两个及以上可旋转靶材；
步骤P2，靶材的预设旋转速度与目标基底的移动速度呈预设比例，当一靶材旋转至与其中一目标基底对应的目标位置，沉积该靶材上的待沉积材料至该目标基底上；及
步骤P3，控制掩膜板的移动速度，重复不同靶材的待沉积材料沉积于该目标基底上，以获得高通量材料芯片。
可以理解，上述的步骤P1-步骤P3中与预设旋转速度、靶材设置、目标基底移动速度以及掩膜板的相关说明与上述第一实施例中所提供的薄膜制备方法相同，在此不再赘述。
具体有关靶材的预设旋转速度与目标基底移动速度之间的关系，与第一实施例中相关内容一致。
提供设于靶材与目标基底之间的狭缝，靶材上的待沉积材料通过狭缝沉积至目标基底上，当多个靶材上的待沉积材料在目标基底沉积形成共沉积薄膜时，目标基底移动通过狭缝宽度的时间t大于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T。
具体地，结合第一实施例中有关所述靶材转动通过狭缝以及目标基底移动通过狭缝的过程说明，可知靶材沉积样品的厚度与靶材沉积速率、目标基底移动通过狭缝宽度的时间t以及靶材旋转通过狭缝宽度的时间T之间的关系还可具体表示如下：
当目标基底移动通过狭缝宽度的时间t大于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与靶材旋转通过狭缝宽度的时间T、靶材沉积速率正相关；
当目标基底移动通过时间t小于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与目标基底移动通过时间t、靶材沉积速率正相关。
在本实施例中，为了满足连续的梯度组合材料制备，在步骤P3中，还可通过控制掩膜板按照一定步长在基底上匀速移动或顺序移动。
在上述步骤P1-步骤P3中，对应靶材旋转的预设旋转速度T1、目标基底的移动速度T2以及掩膜板的移动速度T3三者之间满足如下的关联关系时(可为公式或者比例关系)，则可满足高通量材料芯片以原子级别均匀混合，无需额外添加热处理过程，从而可降低高通量材料芯片制备难度，提升实验的效率。
进一步地，基于将两个及以上靶材旋转设置，控制掩膜板、目标基底的移动速度，还可实现连续梯度组合材料制备，从而可精准获得所需的高通量材料芯片，同时可减少腔体空间，提高制备效率。
请参阅图9，本发明的第三实施例提供一种物理气相沉积镀膜系统30，其包括靶材单元31以及基底单元32，所述靶材单元31包括两个及以上用于固定靶材310的靶材位311，所述基底单元32包括目标基底321，所述靶材310以预设旋转速度旋转，当靶材310旋转至与基底单元32中的目标基底321对应，该靶材310上的待沉积材料沉积至目标基底321上，形成薄膜。
具体地，结合图9中所示，所述靶材单元31包括靶材支架312及工作外罩313，所述靶材位311固定于靶材支架312，所述靶材支架312基于一旋转中心旋转，从而带动固定于其上的靶材位311旋转。
为了满足不同的沉积薄膜的需求，所述靶材支架312的长度可调整。继续如图9中所示，当设定靶材310旋转至与基底单元32中的目标基底321对应时靶材310的表面与目标基底321表面之间的距离为靶基距L，靶基距L可基于实际需求做调整。不同的靶基距L对于沉积形成的薄膜的材料厚度、均匀度均有影响。可以理解，所述靶材位311的数量还可为两个、三个、四个、五个、六个、十个等，具体可基于需要制备薄膜的需求做对应调整。不同靶材位设置的靶材可为相同或不同。
所述工作外罩313内的工作气压可变化，并可基于溅射成膜的不同阶段做对应调节。
如图9中所示，所述靶材单元31以预设旋转速度旋转还可理解为以目标基底321的待沉积表面为基准面，对应的两个及以上的靶材可为垂直于基准面垂直旋转。在另外的实施例中，也可为相对于基准面水平旋转。可以理解，基于不同待沉积材料的沉积条件，所述两个及以上靶材的沉积也可以目标基底321的待沉积表面为基准面呈其他角度方式旋转。
进一步地，如图9中所示，所述靶材单元31的旋转可为单向旋转。如图中所示，当所述靶材单元31包含三个靶材位311，三个靶材310之间成120°分布。对应的靶材310可依次表示为A、B、C，如为单向旋转，则对应靶材310的待沉积材料在目标基底上的沉积顺序为A-B-C-A-B-C。
可以理解，在其他的实施例中，所述靶材单元31也可为双向旋转，则对应靶材310的待沉积材料在目标基底上的沉积顺序可为A-B-C-C-B-A或C-A-B-B-A-C等。
由于所述靶材单元31以旋转方式移动靶材，其所占的工作腔体的空间则取决于靶材支架312的大小，因此，相比于现有平行移动的靶材移动方式相比，本实施例所提供物理气相沉积镀膜系统30所占工作腔体的空间更小。
继续如图9中所示，为了进一步提高成膜均匀性，所述基底单元32进一步包括狭缝322，由靶材单元31溅射产生的待沉积材料经过狭缝322均匀化后，再沉积在目标基底321之上。其中，所述狭缝322的宽度可调整，从可对沉积速度进行调整。如图9中所示，所述基底单元32还包括带动目标基底321移动的移动件323，所述移动件323带动目标基底321以一定速度平移或转动，从而可在目标基底321上形成均匀性更好的薄膜。进一步地，所述移动件323还可相对于基底单元32调整距离。
进一步地，如图10中所示，所述物理气相沉积镀膜系统30进一步包括掩膜单元33，所述掩膜单元33可在靶材单元31与基底单元32之间移动。所述掩膜单元33包括可移动的掩膜331，通过控制掩膜331以一定步长在目标基底321上匀速移动或顺序移动，可以实现具有连续梯度组合材料的制备，进而可通过对不同靶材位311的靶材310重复上述过程，则可获得所需薄膜。
在本实施例的一些实施方式中，可通过对所述靶材310的预设旋转速度进行调整，进而调整靶材310上的待沉积材料沉积至目标基底321上形成薄膜的类型。例如，可将形成多层薄膜的预设旋转速度设定为第一旋转速度，将形成共沉积薄膜的预设旋转速度设定为第二旋转速度，其中，形成多层薄膜的预设旋转速度小于形成共沉积薄膜的预设旋转速度。
在本实施例中，以形成共沉积薄膜为例，对目标基底321移动通过狭缝322宽度的时间t、靶材旋转通过狭缝322宽度的时间T、与靶材310沉积速率之间的关系可表述如下：
当目标基底移动通过狭缝322宽度的时间t小于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与目标基底321移动通过狭缝宽度的时间t、靶材沉积速率正相关。
具体地，沉积获得的薄膜样品厚度w1为：
w1＝(θ/Q)*ρ；其中，θ表示为靶材旋转的轴向延长线通过狭缝的夹角，Q表示为靶材310旋转通过狭缝322的旋转速度、ρ表示为不同靶材310的沉积速率。
当目标基底321移动通过狭缝322宽度的时间t大于靶材310旋转通过狭缝322宽度的时间T，则靶材310所沉积样品的厚度与靶材310旋转通过狭缝322宽度的时间T、靶材310沉积速率正相关；
具体地，沉积获得的薄膜样品的厚度w2为：
w2＝(d/v)*ρ；其中，d表示为狭缝的宽度，v表示为目标基底321移动通过狭缝322的速度、ρ表示为不同靶材310的沉积速率。
比较沉积获得的薄膜样品厚度w1、薄膜样品厚度w2与靶材对应临界厚度的关系，若薄膜样品厚度w1、薄膜样品厚度w2小于靶材材料的临界厚度，则此时沉积获得的薄膜样品为岛状生长状态；若薄膜样品厚度w1、薄膜样品厚度w2大于靶材材料的临界厚度，则此时沉积获得的薄膜样品为层状生长状态。
不同靶材材料的临界厚度均不相同，一般而言，常见的靶材材料的临界厚度范围为0.5nm-20nm。
请参阅图11，本发明的第四实施例提供一种高通量组合材料芯片制备系统40，所述高通量组合材料芯片制备系统40包括至少一靶材单元41、基底单元42以及传送单元43，其中，传送单元43带动基底单元42移动，靶材单元41旋转至与基底单元42匹配时，向基底单元42内的目标基底(未标号)沉积待沉积材料。
有关所述靶材单元41以及基底单元42的相关限定与上述第三实施例中所提供的靶材单元31、基底单元32的描述一致，在此不再赘述。
在另外的实施例中，如图12中所示，在所述高通量组合材料芯片制备系统40中，所述靶材单元41的数量可为多个，多个靶材单元41可并行设置，以满足不同高通量组合材料芯片制备的需求。
在一些具体实施方式中，所述传送单元43可包括传送带机构431及驱动机构432，一个或多个基底单元42可放置在传送带机构431之上，驱动机构432可通过传送带机构431的移动速度，进而控制基底单元42的移动速度。
进一步地，如图13中所示，所述高通量组合材料芯片制备系统40进一步包括掩膜单元44，所述掩膜单元44在靶材单元41与基底单元42之间移动。所述掩膜单元44包括至少一个可移动的掩膜板441，通过控制掩膜板441以一定步长在基底上匀速移动或顺序移动，可以实现具有连续梯度组合材料的制备。为了满足不同形态的组合材料制备，所述掩膜板441上可开设掩膜孔或将所述掩膜板441设置为特定尺寸形状。
在所述高通量组合材料芯片制备系统40中，靶材单元41的旋转速度，传送单元43带动基底单元42的移动速度、掩膜单元44的移动速度等参数均会对高通量组合材料芯片的制备造成影响。
为了对所述高通量组合材料芯片制备方法及其系统做进一步说明，提供如下的具体实验方式：
所述高通量组合材料芯片制备系统40包括一个靶材单元41以及在传送单元43上传送的多个基底单元42，所述靶材单元41可单向旋转，对应靶材单元41包括三个靶材位411，对应的靶材位411上依次安装有铝靶材、铜靶材及锡靶材，三个靶材以120°间隔围绕靶材架中心排列，将对应靶材单元41内的工作气压调整至0.8Pa，对应铝靶材、铜靶材及锡靶材的溅射功率分别调整为50w、60w和80w，当铝靶材、铜靶材及锡靶材旋转至目标位置，且目标位置与基底单元42对应时，则通过基底单元42调整靶基距，使得各靶材的轴向延长线通过基底上狭缝的角度为20°。
此时，所述靶材单元41的旋转角速度(相当于预设旋转速度)为60度/s，在这一旋转速度下，当铝靶材、铜靶材及锡靶材与目标基底之间的靶间距为预设靶间距范围内时，则铝靶材、铜靶材及锡靶材可依次在目标基底上形成共沉积薄膜。其形成共沉积薄膜的原理如下：当所述靶材单元41的旋转速度足够快(对应靶材单元41带动靶材旋转通过狭缝的时间足够短)，在对应配合适合的目标基底移动速度，则可实现在基底上连续沉积三种原材料，可以理解为每一种靶材，刚沉积了几个纳米厚的薄膜，下一个靶材位411带动不同的靶材旋转到对应位置，这样在每种材料还在岛状生长未形成层膜的时候，就实现了多种材料的相互混合，从而可形成类似原子均匀混合的效果。
本发明所提供的薄膜制备方法、高通量组合材料芯片制备方法及其系统，具有如下的有益效果：
本发明所提供的薄膜制备方法，其可先将靶材旋转至预设旋转速度当靶材旋转至与目标基底对应的目标位置，该靶材上的待沉积材料沉积至目标基底上，形成所需薄膜。基于对靶材进行旋转并控制其旋转的速度，可使前一种靶材的待沉积材料还在岛状生长状态为形成层膜时，另一种靶材继续进行沉积，即可实现不同靶材的待沉积材料以原子混合的方式进行沉积，因此无需在额外设置热处理即可实现薄膜样品混合，大大降低了薄膜制备难度，提升了薄膜制备的精准度和良率。
本发明还提供一种高通量组合材料芯片制备方法，其包括控制靶材旋转速度，并使靶材与目标基底以预设速度比进行旋转及移动，当一靶材旋转至与其中一目标基底对应，该靶材上的待沉积材料沉积至该目标基底上；及控制掩膜板的移动速度，重复不同靶材的待沉积材料沉积于对应不同目标基底上，以获得高通量材料芯片。基于对靶材进行旋转并控制其旋转的速度、目标基底移动速度，可使前一种靶材的待沉积材料还在岛状生长状态为形成层膜时，另一种靶材继续进行沉积，即可实现不同靶材的待沉积材料以原子混合的方式进行高通量组合材料沉积，无需在额外设置热处理即可实现样品混合，其使高通量组合材料芯片的制备流程简化，为材料基因数据库的构建快速提供海量的材料数据，最终推动材料按需设计和智能制造。
本发明还提供一种高通量组合材料芯片制备系统，其包括至少一靶材单元、基底单元以及传送单元，其中，传送单元带动基底单元移动，靶材单元以预设旋转速度旋转至与基底单元匹配时，向基底单元内的目标基底沉积待沉积材料。所述高通量组合材料芯片制备系统可实现大面积均匀薄膜沉积，由于多个靶材之间为旋转环形设置，因此相比于靶材之间独立设置可以节省大量的空间。此外，由于靶材单元以预设旋转速度旋转，其可实现多种靶材材料的原子级别混合，实现高通量组合材料的沉积，因此，无需在额外设置热处理即可实现样品混合，其使高通量组合材料芯片的制备流程简化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜制备方法，其特征在于：提供目标基底，将两个及以上靶材以预设旋转速度旋转移动；在靶材与目标基底之间设置宽度可调整的狭缝，靶材的轴向延伸线与狭缝两端连接的夹角小于多个靶材之间的夹角，当靶材旋转至目标位置，该靶材上的待沉积材料经过狭缝混合后沉积至目标基底上，形成薄膜。
2.如权利要求1中所述薄膜制备方法，其特征在于：目标位置为靶材与目标基底对应的位置，沉积该靶材上的待沉积材料至目标基底上，形成薄膜，具体包括：控制掩膜板在靶材与目标基底之间移动；当靶材旋转至与目标基底对应时，控制掩膜板的移动速度至与预设旋转速度匹配，使该靶材上的待沉积材料经过狭缝后沉积至目标基底上，形成薄膜。
3.如权利要求2所述薄膜制备方法，其特征在于：调整靶材的预设旋转速度以获得多层薄膜或共沉积薄膜，在目标基底上沉积形成多层薄膜的预设旋转速度小于在目标基底上沉积形成共沉积薄膜的预设旋转速度。
4.如权利要求3所述薄膜制备方法，其特征在于：当多个靶材上的待沉积材料在目标基底沉积形成共沉积薄膜时，所述靶材的预设旋转速度为靶材的旋转角速度，目标基底移动通过狭缝所需时间t大于靶材旋转通过狭缝所需时间T。
5.一种高通量组合材料芯片制备方法，其特征在于：包括以下步骤：提供多个可移动的目标基底以及两个及以上可旋转靶材；靶材旋转的预设旋转速度与目标基底的移动速度呈预设比例，在靶材与目标基底之间设置宽度可调整的狭缝，靶材的轴向延伸线与狭缝两端连接的夹角小于多个靶材之间的夹角，当一靶材旋转至与其中一目标基底对应的目标位置，该靶材上的待沉积材料经过狭缝混合后沉积至该目标基底上；及控制掩膜板的移动速度，重复不同靶材的待沉积材料沉积于该目标基底上，以获得高通量组合材料芯片。
6.如权利要求5中所述高通量组合材料芯片制备方法，其特征在于：提供设于靶材与目标基底之间的狭缝，靶材上的待沉积材料通过狭缝沉积至目标基底上，当多个靶材上的待沉积材料在目标基底沉积形成共沉积薄膜时，目标基底移动通过狭缝宽度的时间t大于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T。
7.一种高通量组合材料芯片制备系统，其特征在于：所述高通量组合材料芯片制备系统包括至少一靶材单元、基底单元以及传送单元，其中，传送单元带动基底单元移动，所述靶材单元包括多个靶材，在靶材与目标基底之间设置宽度可调整的狭缝，靶材的轴向延伸线与狭缝两端连接的夹角小于多个靶材之间的夹角，靶材单元以预设旋转速度旋转并当靶材旋转至与基底单元对应的目标位置时，靶材上的待沉积材料经过狭缝混合后沉积至该目标基底上，以实现靶材单元向基底单元内的目标基底沉积待沉积材料。
8.如权利要求7中所述高通量组合材料芯片制备系统，其特征在于：所述高通量组合材料芯片制备系统进一步包括掩膜单元，所述掩膜单元在靶材单元与基底单元之间移动。
9.如权利要求7中所述高通量组合材料芯片制备系统，其特征在于：所述靶材单元包括靶材支架、固定在靶材支架上的靶材位以及工作外罩，靶材支架及靶材位均收容于工作外罩之内。
10.如权利要求7-9中任一项所述高通量组合材料芯片制备系统，其特征在于：所述基底单元还包括宽度可调整的狭缝，由靶材单元溅射产生的待沉积材料经过狭缝混合后沉积在目标基底之上，靶材位上固定有多个靶材；当目标基底移动通过狭缝宽度的时间t大于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与靶材旋转通过狭缝宽度的时间T、靶材沉积速率正相关；当目标基底移动通过狭缝宽度的时间t小于靶材旋转通过狭缝宽度的时间T，则靶材所沉积样品的厚度与目标基底移动通过狭缝宽度的时间T、靶材沉积速率正相关。
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